1、我国2010年钢产量达6亿吨，占全球一半。2010年全国汽车产销1826.47万辆和1806.19万 辆，同比分别增长32.44%和32.37%。中国汽车 产销连续第二年全球第一。已成为我国国民经 济的支柱产业。,材料加工基础,6,1.绪论,1.1材料加工的地位与作用,重要性全世界75的钢材经塑性加工，45的金属结 构用焊接得以成形。我国的铸造行业有100万职工，20000多个工 厂，2003年产量达1,600万吨，在世界上是第 一铸造大国。,材料加工基础,7,汽车,冲压件占汽车零部件75%,1.绪论,1.1材料加工的地位与作用,重要性机床：铸件重量占机床重量的70-80%；,车身成形冲压生产
2、线焊接装配,材料加工基础,8,基础,材料加工,9,1.绪论,1.1材料加工的地位与作用,重要性曲轴,发动机,连杆,底盘中的零件,锻造,铸造,发动机绝大部分零件（汽车心脏）,汽缸盖汽缸体,曲轴齿轮轴进排气管活塞活塞环,1.绪论,1.1材料加工的地位与作用,重要性铸件重量占汽车重量15%（轿车）20%（卡车）。根据日本资料统计，小轿车中各种材料组成的重量 百分数，冲压用钢板/钢材、铸铁及铸造铝合金的 重量占整车的78%左右。,材料加工基础,10,1.绪论,材料加工基础,11,1.1材料加工的地位与作用,重要性家电：总产量世界第一；手机：销量世界第一，产量很快成为世界第一。制面造临的问题：从制造大国
3、变为强国。,1.绪论,1.1材料加工的地位与作用,铸造 锻压,焊接 金属学及热处理,材料加工专业发展,学科渗透交叉,专业合并,材料加工工程专业,机械工程及自动控制,材料加工成形及控制工程,材料加工工艺课程,铸造塑性成形 焊接表面处理,材料加工基础,12,开设美国、德国、日本等,材料的加工方法,如：凝固成形、塑性成形、焊接成形、粉末冶金等,切除加工-,表面成形-,如：表面形变、淬火强化、化学热处理、表面涂层、气相沉积,热处理-,如：退火、正火、淬火、回火等,1.绪论,1.1材料加工的地位与作用,成形加工-改变,形状尺寸 材料性能,改变材料的形状尺寸,改变,如：车、铣、刨、钻、磨；电火花、电解、超
4、声波、激光加工表面状态,材料性能,改变材料性能,材料加工基础,13,1.绪论,1.1材料加工的地位与作用,综合考虑,如何选择零件的加工方法？形状尺寸特征,工作条件及使用要求 生产批量及制造成本,技术上可行 质量可靠 经济上合理,材料加工基础,14,1.绪论,1.1材料加工的地位与作用,原材料锭料、轧材,凝固成形 塑形成形 焊接成形,切削加工,零件,装配,机器,毛坯,切削加工 凝固成形 塑形成形,焊接成形,热处理,热处理切削加工,表面加工,机器制造一般过程的示意,材料加工基础,15,材料加工的任务研究如何获得几何尺寸的机械零部件；研究如何通过过程的控制而使零部件具有 设定的化学成分、组织结构和性
5、能；保证机械零部件的安全性、可靠性和寿命。,材料加工基础,16,1 绪论,1.1材料加工的地位与作用,材料加工工艺（材料成形技术）（Materials Processing Technology）金属液态成形 金属塑性成形 金属连接成形粉末冶金成形及其他新型成形方法 非金属材料成形材料成形方法的选择,材料加工基础,17,1 绪论,1.1材料加工的地位与作用,1 绪论,1.1材料加工的地位与作用,材料加工的本质它是利用熔化、结晶、塑性变形、扩散、相变等各 种物理、化学变化使工件成形；达到预定的机器零 件设计要求。,材料加工基础,18,1 绪论,1.1材料加工的地位与作用,材料的性能取决于材料的组
6、织和成分，而材料的使 用性能最终取决于材料的制备与成形加工过程。,材料加工基础,19,材料加工工艺的重要性机器生产的一般过程:设计 毛坯 加工 装配制造一部质量优良的机器,不但需要好的 设计,更需要好的制造工艺来保证.,材料加工基础,20,1.1材料加工的地位与作用,1 绪论,发展趋势材料加工产品精密化、轻量化、集成化；（工业技术要求）产品性能高、成本低、周期短；（国际竞争激烈的市场要求）材料加工原料与能源消耗低、污染少；日益恶化的环境要求 制造性好、成品率高。（材料成形本身要求）材料正由单一的传统型向复合型、多功能型发展；材料加工技术逐渐综合化、多样化、柔性化、多学科化。全新的加工方法与工艺
7、，及传统加工方法的改进与工序综合。,材料加工基础,21,1.1材料加工的地位与作用,1 绪论,1.2 21世纪材料加工工艺展望,1 绪论,发展历程材料加工工艺,材料加工技艺,600年的悠久历史材料加工科学（100年）,新兴学科材料加工学科亟待发展提高,材料加工基础,22,1.2 21世纪材料加工工艺展望,1 绪论,发展方向,制造毛坯,直接制造工件,（精确成形或净成形）,凭经验,理论指导,（控制和确保质量）,成形过程的计算机模拟仿真技术,实用化,材料加工基础,23,新的工艺不断出现（例如：金属的半固态成形、喷射成形、金属的注射成形等等）计算机技术的发展引起材料加工工艺的新革命 新型材料的成形（复
8、合材料、金属材料）,1 绪论,1.2 21世纪材料加工工艺展望发展方向净成形工艺（Net Shape Process）,材料加工基础,24,材料加工基础,25,1.2 21世纪材料加工工艺展望,1 绪论,轿车,发展方向（1）精确铸造精确铸造成形技术新动向提高运行速度,节约能源,轿车铸件,轻量化,精确化,强韧化,复合化,汽缸体,汽缸盖,（日本）,镁铝合金应用钢的密度：7.85 g/cm3 铝的密度：2.71 g/cm3 镁的密度：1.78 g/cm3国外汽车材料铝合金用量以10%速度递增,1.2 21世纪材料加工工艺展望,1 绪论,近精确成形铸造,精确成形铸造（国外）,发展方向（1）精确铸造发展
9、,低压铸造,压力铸造,各种新一代精 确铸造成形,各种铸造工艺的复合,传统铸造合金复合新型工程材料,另一新动向,材料加工基础,26,1.2 21世纪材料加工工艺展望,1 绪论,金属塑性成 形产品,发展方向（2）精确塑形成形轻量化,高强度,高精度,低消耗,发展,有效利用能源,改善环境,精确塑形成形,焦点,材料加工基础,27,1.2 21世纪材料加工工艺展望,1 绪论,焊接技术,发展方向（3）焊接自动化金属,成形制造技术,非金属精确焊接特种材料及特种环境下的焊接 焊接过程的智能控制胶接与复合材料构件的成形技术,材料加工基础,28,1.2 21世纪材料加工工艺展望,1 绪论,发展方向（3）焊接自动化生
10、产系统柔性化焊接自动化焊接控制系统的智能化,机器人焊接,材料加工基础,29,激光焊接流水线,1.2 21世纪材料加工工艺展望,1 绪论,发展方向（4）快速原型制造一种先进制造技术,优点,缩短产品上市时间 提高生产效率提高产品质量和设计,应用,航空航天,材料加工基础,30,汽车、机械、电子、电器,医学、玩具、建筑、艺术品,材料加工基础,1.2 21世纪材料加工工艺展望,1 绪论,机器零件原型；,直接制造机器零件；,生物医学制造工程（骨 骼、皮肤、牙齿等等）,31,发展方向（4）快速原型制造,应用,1.2 21世纪材料加工工艺展望,1 绪论,发展方向（4）快速原型制造喷塑打印制模技术在办公室里生产
11、样品利用喷塑打印制模技术，可以在产品开发设计的初期就得到三 维设计样品。制作这种三维样件的设备类似于办公室中常用的喷墨打印机;利用这种方法能够在产品设计的前期及时发现设计中的缺陷，大大提高了产品设计的成功率，缩短产品研发的时间.,材料加工基础,32,1.2 21世纪材料加工工艺展望,1 绪论,工作原理,Thermo-Jet喷塑打印机（德国德累斯顿工业大学）,发展方向（4）快速原型制造喷塑打印制模技术,材料加工基础,33,产品研发时间进度安排,1.2 21世纪材料加工工艺展望,1 绪论,发展方向（4）快速原型制造,材料加工基础,34,1.2 21世纪材料加工工艺展望,1 绪论,发展方向（5）新型
12、材料成形,金属间化合物材料 金属基复合材料 各种新型功能材料,超导材料,高新技术材料,传统加工方式?,新的加工方法,材料制备 材料加工,一体化,发展趋势,材料加工基础,35,1.2 21世纪材料加工工艺展望,1 绪论,发展方向（5）新型材料成形,新材料 新技术,密切相关,材料达到极 端状态,改变材料原 有属性,利用极端条件,超高压超高温超高真空极低温超高冷速超高纯,必要手段,材料加工基础,36,1.2 21世纪材料加工工艺展望,1 绪论,激光加工技术,发展方向（6）激光加工技术电子元件的精密焊接汽车、船舶制造的焊接,表面改性处理,多种多样,坯料制造中的切割、雕刻与成形热处理,材料加工基础,37
13、,表面修整合金化 打标,1.2 21世纪材料加工工艺展望,1 绪论,未来应用,纳米粉末零件的成形技术的发展,发展方向（7）纳米材料纳米材料现代材料科学的一个重要发展方向。新的结构、功能材料取决于,保留成形加工后纳 米固体良好的性能,保证纳米微结构的稳定性机械,材料加工基础,38,磁、热、光、电,固化,1.2 21世纪材料加工工艺展望,1 绪论,发展方向（7）纳米材料,材料加工基础,39,1.2 21世纪材料加工工艺展望,1 绪论,发展方向（7）纳米材料,纳米加工分子自组装新技术,扫描探针纳米加工技术,纳米加工技术与微流技术的实验,材料加工基础,40,1.2 21世纪材料加工工艺展望,1 绪论,
14、发展方向（8）计算机技术的应用计算机的发展机械制造工业的一场革命,计算机仿真/计算机辅助工程,（CAE）,并行工程技术 虚拟制造技术,制造技术新的活力,材料加工基础,41,1.2 21世纪材料加工工艺展望,1 绪论,发展方向（8）计算机技术的应用计算机模拟仿真在人类大量生产实践与实验研究基础上，建立物理及数学模型，充分利用计算机的强大计算功能而发 展起来的多学科交叉的学科前沿领域。并行工程正改变着制造工业的企业结构和工作方式。,材料成形制造过程模拟技术,产品设计开发和制造加工,紧密相连、必不可少,材料加工基础,42,1.2 21世纪材料加工工艺展望,材料加工基础,43,1 绪论,发展方向（8）
15、计算机技术的应用,1 绪论,21世纪材料加工工艺展望发展方向（8）计算机技术的应用 计算机凝固模拟技术,材料加工基础,44,1 绪论,21世纪材料加工工艺展望发展方向（8）计算机技术的应用 计算机焊接过程模拟技术,材料加工基础,45,1.2 21世纪材料加工工艺展望,1 绪论,发展方向（9）绿色加工技术环境与资源是当今世界的两个重大课题。“绿色”即“无公害化”是利用现代科学技术，形 成资源节约型的新型生态持续性工业发展模式。生态持续性工业发展模式的核心：把保护环境纳入工业发展过程之中；在发展经济的过程中，将工业开发和环境保护并重。,材料加工基础,46,1.2 21世纪材料加工工艺展望,1 绪论
16、,发展方向（9）绿色加工技术绿色集约化制造整个制造生产过程中应满足对环境无害、合理使用 和节约自然资源、依靠科学技术得到最大的产出和 效益等几个要求。因此，在材料加工工艺的应用和发展中，必须充 分重视环境保护和资源的合理利用。,材料加工基础,47,1.3 材料成形的一些基本问题和发展概况,1 绪论,凝固成形基本问题（1）,充填铸型（浇注）,冷却凝固,凝固成形,机械过程,热过程,获得健全的、满足各种使用 要求的铸件,材料加工基础,48,目的,1.3 材料成形的一些基本问题和发展概况,1 绪论,凝固成形基本问题（1）,凝固组织的形成与控制,晶粒的大小、方向、形态,物理性能、力学性能,全面掌握,追求
17、目标形成机理,形成过程,影响因素,目前建立的控制组织方法,孕育 半固态定向凝固 快速凝固,材料加工基础,49,1.3 材料成形的一些基本问题和发展概况,1 绪论,凝固成形基本问题（2）铸造缺陷的防止与控制铸件质量的严重威胁废品的主要原因,缩孔,缩松,结晶收缩,液相,固相,元素再分配,偏析,冷却中热应力集中,裂纹,材料加工基础,50,1.3 材料成形的一些基本问题和发展概况,1 绪论,凝固成形基本问题（3）铸造尺寸精度和表面粗糙度控制,铸件尺寸精度,外观质量,要求越来越高,近净成形铸造技术（）只提供毛坯（）,影响因素多,铸型尺寸精度及型腔表面粗糙度 液体金属与铸型表面的反应凝固热应力 凝固收缩,
18、控制难度大,材料加工基础,51,1.3 材料成形的一些基本问题和发展概况,1 绪论,铸件冷却速度晶粒度,力学性能,凝固成形发展概况（1）凝固理论的发展 借助物理化学、金属学、非平衡热力学与动力学、高等数学 和计算数学，从传热、传质和固液界面三方面进行研究，使 金属凝固理论有了很大的发展。建立,函数 铸造工艺参数,铸件力学性能,控制,材料加工基础,52,1.3 材料成形的一些基本问题和发展概况,1 绪论,定向凝固技术,凝固成形发展概况（2）凝固技术的发展：A定向凝固技术液态金属的热量沿一定方向排出,深过冷,晶粒生长向一 定的方向,单方向晶粒组织,单晶组织,温度梯度,材料加工基础,53,材料加工基
19、础,1.3 材料成形的一些基本问题和发展概况,1 绪论,凝固成形发展概况（2）凝固技术的发展：A 定向凝固技术应用1铸造高温合金燃气轮机叶片定向生长方向上的力学性能叶片工作温度 航空发动机的性能水平,54,材料加工基础,55,1.3 材料成形的一些基本问题和发展概况,1 绪论,凝固成形发展概况（2）凝固技术的发展：A 定向凝固技术应用2定向凝固技术最新发展单晶体铸件,如：单晶涡轮叶片,工作温度 抗疲劳强度抗蠕变强度 耐蚀性,大幅度提高,新型航空发动机中,发动机,推力,效率,材料加工基础,56,1.3 材料成形的一些基本问题和发展概况,1 绪论,凝固成形发展概况（2）凝固技术的发展：B 快速凝固
20、技术,常规：10-4-10 k/s 快速：103-109k/s,冷却速度液态固态,组织,性能,细晶粒 0.1-0.01m无偏析缺陷高分散度的超细析出相,纳米晶,高强度,高韧性,（e）,1.3 材料成形的一些基本问题和发展概况,1 绪论,液态成形,长大,凝固成形发展概况（2）凝固技术的发展：B 快速凝固技术形核传统：结晶过程晶体,快速：非晶体（金属玻璃）,电学 磁学电化学 力学性能,材料加工基础,57,特殊,1.3 材料成形的一些基本问题和发展概况,1 绪论,凝固成形发展概况（2）凝固技术的发展：B 快速凝固技术应用变压器铁芯 计算机磁头 钎焊材料外围设备中零件材料,材料加工基础,58,1.3
21、材料成形的一些基本问题和发展概况,1 绪论,凝固成形发展概况（2）凝固技术的发展：C 复合材料制备,基体,复合材料,增强相的分布与排列,材料加工基础,59,控制凝固,增强相 例如：结合定向凝固技术制备定向复合材料,材料加工基础,60,1.3 材料成形的一些基本问题和发展概况1 绪论,凝固成形发展概况（2）凝固技术的发展：D 半固态金属铸造成形技术原理,液态金属凝固过程中 进行强烈的搅拌,机械 电磁,树枝晶网络骨架（打碎）,其他 颗粒状显微组织 非树枝晶状,很好的流动性,压铸 利用 挤压模锻,半固态成形,1.3 材料成形的一些基本问题和发展概况,1 绪论,计算机辅助制造CAM,凝固成形发展概况（
22、3）计算机的应用及发展计算机辅助工艺设计CAD凝固过程的数值模拟技术,快速样件制造技术,过程和设备运行的计算机控制计算机组织和性能模拟,材料加工基础,61,1.3 材料成形的一些基本问题和发展概况,1 绪论,焊接成形基本问题,能量输入：温度分布不均匀、不稳定,化学冶金不平衡 焊接应力焊接变形,清除表面污染,材料加工基础,62,组织性能不均匀残余应力和残余变形,焊接缺陷及检测,可靠实用的无损检测有待深入研究,焊接结构的制造问题,材料加工基础,63,1.3 材料成形的一些基本问题和发展概况,1 绪论,焊接成形发展概况（1）焊接结构的发展,新的焊接结构,大型化,高参数,工作条件,苛刻,严格,例,核压
23、力容器,6100m深海探测器,壁厚200m,承受巨大海水压力,长382m；宽168m；高27m50万吨级的全焊接油轮,钢板最大厚度140m,材料加工基础,64,1.3 材料成形的一些基本问题和发展概况,1 绪论,新的焊接结构,焊接成形发展概况（1）焊接结构的发展尺寸越来越大,高温、高压/低温、深冷环境,动载荷或冲击条件下使用,例单机功率高达1.2GW的核电站锅 炉大型高炉容积达5080m3,33m,V=100000m3的贮罐,复杂苛刻的条 件下工作,材料加工基础,65,1.3 材料成形的一些基本问题和发展概况,1 绪论,低合金钢,焊接成形发展概况（2）焊接材料的发展低碳钢强度低传统焊接材料,韧
24、性良好,发展,钛及钛合金,桥梁、高压水管、重型电机、海洋结构,高强度钢航天、航海、固体燃料火箭发动机壳的4340钢抗腐蚀、抗高温、抗深冷脆断的合金钢 铝及铝合金,1.3 材料成形的一些基本问题和发展概况,1 绪论,现代焊接技 术特点,焊接成形发展概况（3）自动化焊接的发展焊接机械化,自动化,焊接柔性制造系统（组成）,焊接机器人 先进焊接电源离线编程CAD系统 工装机械系统,材料加工基础,66,金属材料加工成形主要方法及设备；材料加工过程中的内在规律和物理本质；材料加工行业现状及其发展趋势。,材料加工基础,67,1.4 课程任务,1 绪论,考核方式：,期末考试平时成绩（考勤+作业）,材料加工基础,68,教材及参考书1.材料成形技术基础，孙广平等，国防工业出版社；2.材料成形技术基础，施江澜等，机械工业出版社；3.材料加工工艺，黄天佑，清华大学出版社；4.材料成形技术基础，邢建东等，机械工业出版社。,材料加工基础,69,材料加工基础,70,
